高幅度任意波形/函數(shù)發(fā)生器簡化汽車、半導體、科學和工業(yè)應用中的測量
許多電子設計應用要求的激勵源幅度超出了當前市場上大多數(shù)任意波形/函數(shù)發(fā)生器的能力,包括電源半導體應用,如汽車電子系統(tǒng)和開關電源中廣泛使用的MOSFETs和IGBTs,氣相色譜和質(zhì)譜檢測器使用的放大器,以及科學和工業(yè)應用中使用的其它設備。
一般來說,任意波形/函數(shù)發(fā)生器為50歐姆負荷提供最高10 Vpp的幅度,為開路提供最高20 Vpp的幅度。上述設備通常在兩倍的輸入范圍上工作。直到現(xiàn)在,在整個工作范圍上測試這些設備通常要求使用一臺放大器,來提升標準發(fā)生器提供的信號。這種方法提高了測試設置的復雜性,給放大器輸出上的有效幅度帶來了不確定性,增加了設備成本。
本文描述了使用外部放大器生成高幅度信號的傳統(tǒng)方法,然后討論了典型應用,說明了使用集成高幅度階段的新型任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器的各種優(yōu)勢。
傳統(tǒng)方法
圖1 使用外部放大器時的測量設置
圖1是標準任意波形/函數(shù)發(fā)生器的典型測量設置,它增加了一臺放大器,把幅度提升到要求的水平。發(fā)生器輸出連接到放大器輸入上。某些放大器允許配置輸入和/或輸出,以與不同的源阻抗和/或負荷阻抗相匹配。一般來說,提升幅度的放大器沒有顯示器,因此必須使用示波器或其它測量設備監(jiān)測有效輸出幅度。這進一步提高了測量設置的復雜性,要求額外的時間,特別是在測試前和測試期間需要調(diào)節(jié)和檢驗幅度水平時。
測量電源MOSFET上的開關時間
電源MOSFET用于各種汽車運動控制、電源管理和氣候控制應用中。它們驅(qū)動小型馬達、螺線管、防抱死剎車、電動轉(zhuǎn)向和電子穩(wěn)定編程系統(tǒng)及H.I.D燈使用的點火電路。它們還是集成式起動器/交流發(fā)電機的關鍵組件。
圖2 一個DC馬達驅(qū)動器中四個MOSFET的H電橋配置
圖3 MOSFET示意圖和等效電路。
圖2顯示了驅(qū)動DC馬達的H電橋拓撲中使用的MOSFET實例。這一配置提供了前向、后向和制動功能。
在作為開關使用時,MOSFET的基本功能是通過門信號控制漏電流。在這些應用中,開關時間是電路設計人員選擇元件時考慮的一個重要指標。MOSFET的開關性能取決于通過內(nèi)部電容建立電壓變化所需的時間(參見圖3)。注意,門源電壓必須先把MOSFET的輸入電容變成特性門限電平,然后漏電流才能起動。
圖4 測量電源MOSFET開關時間的設置。
圖5 AFG3011直接在顯示器上顯示幅度。
圖6 測量電源MOSFET的開關時間。
與時間相關需要關注的參數(shù)是起動時延和關閉時延及上升時間和下降時間。為測量這些參數(shù),應使用來自信號發(fā)生器輸入的窄脈沖激勵MOSFET的門,然后使用示波器測量門電壓和漏電壓(參見圖4)。
通過使用集成高幅度輸出階段的任意波形/函數(shù)發(fā)生器,而不是外部放大器,用戶可以直接查看MOSFET輸入電路上的有效信號幅度,而不需使用示波器測量幅度。
現(xiàn)在,通過示波器屏幕顯示的曲線中的光標測量,可以方便地確定起動時延。起動時延是從門源電壓達到最后值10%時到漏源電壓下降到初始值90%時所需的時間。類似的,關閉時延是從門源電壓下降到前一水平90%時到漏源電壓上升到供電電壓10%時所需的時間。為測量漏極信號的上升時間和下降時間,現(xiàn)代示波器提供了方便的自動化測量功能。
圖7 IGBT電路符號和等效電路。
圖8 IGBT門驅(qū)動電路和開關測試電路。
分析IGBT的開關波形
近幾年來,由于高開關速度、高電流功能、大阻塞電壓和簡單的門驅(qū)動特點,同時由于較低的傳導損耗及較低的狀態(tài)電壓下跌水平,絕緣門雙極晶體管(IGBT)在工業(yè)應用和汽車應用中正日益替代MOSFET。
IGBT的工業(yè)應用包括牽引、變速馬達驅(qū)動器、不間斷電源(UPS)、感應加熱、焊接及電信和服務器系統(tǒng)中的高頻開關式電源。在汽車行業(yè)中,點火線圈驅(qū)動電路、馬達控制器和安全相關系統(tǒng)對IGBT的需求非常龐大。
IGBT是雙極晶體管和MOSFET的交叉。在輸出開關和傳導特點方面,IGBT與雙極晶體管類似。但是,雙極晶體管是流控式的,IGBT與MOSFET則是壓控式的。為保證完全飽和及限制短路電流,建議門驅(qū)動電壓為+15V。
與MOSFET一樣,IGBT在門、發(fā)射器和集電極之間有電容。在門端子和發(fā)射器端子之間應用電壓時,會以指數(shù)方式通過門電阻器RG對輸入電容充電,直到達到IGBT的特性門限電壓,確定集電極到發(fā)射器傳導。同樣,輸入門到發(fā)射器電容必須被放電到某個高原穩(wěn)定電壓,然后才能中斷集電極到發(fā)射器傳導,關閉IGBT。
門電阻器的尺寸對IGBT的起動特點和關閉特點有著明顯的影響。門電阻器越小,IGBT門到發(fā)射器電容充電和放電的速度越快,因此其開關時間短,開關損耗小。但是,由于IGBT的門到發(fā)射器電容和引線的寄生電感,門電阻器值小也會導致振蕩。為降低關閉損耗,改善IGBT對通過集電極到發(fā)射器電壓變化速率注入的噪聲的免疫力(這種噪聲對電感負荷可能會具有實質(zhì)性影響),建議門驅(qū)動電路包括實質(zhì)性的開關偏置。
IGBT的最佳性能隨應用變化,必須相應地設計門驅(qū)動電路。在硬開關應用中,如馬達驅(qū)動器或不間斷電源,必須選擇門驅(qū)動參數(shù),以便開關波形不會超過IGBT的安全工作區(qū)。這可能意味著犧牲開關速度,要以開關損耗為代價。在軟開關應用中,開關波形完全落在安全工作區(qū)內(nèi),可以把門驅(qū)動設計成短開關時間及較低的開關損耗。
圖9. IGBT的開關波形。
為優(yōu)化IGBT門驅(qū)動設計,設計工程師必須了解設備在實際負荷條件下的開關特點。為分析這些開關特點,可以使用一系列單個脈沖激勵IGBT的門,同時使用示波器測量門到發(fā)射器電壓、集電極到發(fā)射器電壓和集電器電流。由于能夠生成高幅度脈沖,AFG3011任意波形/函數(shù)發(fā)生器特別適合完成這一任務。由于IGBT的集電極到發(fā)射器電壓對電感負荷的動態(tài)范圍非常高,因此要求使用高壓差分探頭進行測量。可以使用標準無源探頭測量門到發(fā)射器電壓,使用非插入型電流探頭測量集電極電流。
圖9顯示了帶電感負荷的IGBT的典型開關波形。從這些波形中,設計工程師可以確定開關能量、狀態(tài)損耗及IGBT是否在安全工作區(qū)域內(nèi)工作。然后根據(jù)測量數(shù)據(jù),工程師可以確定選定的脈沖重復頻率、幅度和邊沿跳變是否足以實現(xiàn)設計目標。如果需要調(diào)節(jié),可以通過AFG3011前面板上的快捷鍵直接進入所有脈沖參數(shù)。然后可以通過旋轉(zhuǎn)旋鈕或數(shù)字鍵改變參數(shù),而不會有定時毛刺,也不必中斷測試。
在測量過程中,必須考慮各種因素,如傳播時延(偏移)、偏置和探頭固有的噪聲。工程師將發(fā)現(xiàn),使用的示波器最好帶有軟件工具,能夠處理探頭相關問題,自動計算開關功率損耗,確定IGBT的安全工作區(qū)域。
信號幅度和負荷阻抗
信號發(fā)生器提供的輸出電壓取決于連接的負荷或被測設備的阻抗,其原因在于發(fā)生器的輸出阻抗。例如,圖10顯示了AFG3011的等效輸出電路。根據(jù)幅度設置,儀器提供了某個電流I。如果50歐姆的負荷ZDUT連接到發(fā)生器輸出上,一半的I流經(jīng)發(fā)生器的輸出阻抗ZOUT,另一半流經(jīng)ZDUT。如果ZDUT的阻抗明顯大于ZOUT,那么幾乎所有I都流經(jīng)ZOUT,導致輸出電壓幾乎是50歐姆負荷的兩倍。
圖10 AFG3011的等效輸出電路。
任意波形/函數(shù)發(fā)生器的產(chǎn)品技術資料一般會規(guī)定50歐姆負荷和高阻抗負荷的最大輸出幅度。例如,AFG3011規(guī)定的輸出幅度對50歐姆負荷是20 Vpp,對開路是40 Vpp。對其它負荷阻抗值,可以使用下述公式計算最大輸出電壓:
在標準設置中,任意波形/函數(shù)發(fā)生器通常配置成50Ω的負荷阻抗。對其它負荷阻抗,阻抗值可以配置到儀器中,可以顯示正確的幅度和偏置值。在AFG3000系列中,負荷阻抗設置在Output菜單中進行,按所需的功能鍵如“Sine”后可以進入菜單。
圖11 AFG3000系列上的負荷阻抗選擇。
請注意,負荷阻抗設置既不會改變發(fā)生器的輸出阻抗,也不會改變負荷阻抗本身。它只會影響幅度和偏置顯示,保證儀器顯示連接的負荷中正確的有效幅度值。
結(jié)語
現(xiàn)代任意波形/函數(shù)發(fā)生器如AFG3011可以為50歐姆負荷生成高達20 Vpp的信號幅度,而不需使用外部提升放大器。這簡化了許多應用中的測試,降低了設備成本。它還節(jié)約了測量時間,因為發(fā)生器直接在顯示屏上顯示有效幅度,而不必使用伏特計進行單獨測量。
除本指南中描述的測試應用外,還可以使用高幅度任意波形/函數(shù)發(fā)生器測試顯示器、MEMS技術、螺線管及質(zhì)譜儀和相關科學應用。